JP6372031B2 - 流体圧アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、流体圧アクチュエータに関する。

半導体製品の製造の後工程に用いる装置（Ｄｉｅ−Ｂｏｎｄｅｒ、Ｍｏｕｎｔｅｒ）の半導体チップを搭載する搭載ヘッドに設けられ、荷重制御及び位置制御を可能にするアクチュエータとして、例えば、下記特許文献１に記載の流体圧アクチュエータが知られている。

図３は、従来の流体圧アクチュエータの構成を模式的に示した図である。
図３に示す流体圧アクチュエータ９０は、シリンダ１０、ピストン体５０、サーボ弁６０を含んで構成される。シリンダ１０は、シリンダ本体１１、ガイドフランジ１３（ハウジング）、ボールベアリング３０を含んで構成される。ピストン体５０は、ピストンヘッド５１、ロッド５２を含んで構成される。なお、各構成部分の詳細については、後述する実施形態の項において説明する。

この図３に示す流体圧アクチュエータ９０では、ピストン体５０が軸方向（図３に示すＺ方向）を移動する際の位置を、軸方向センサ４１（軸方向スケール４１−１及び軸方向検出器４１−２）が検出する。軸方向センサ４１は、軸方向の位置を表す検出信号ΦＤＺを出力する。コントローラ８０ａは、検出信号ΦＤＺに基づいて、シリンダ１０内の圧力をサーボ弁６０により制御し、可動部となるロッド５２の軸方向の位置を制御可能にする。

また、回転モータ７１の回転運動を非接触でロッド５２に伝達可能にする為、多角形の形状の流体圧軸受部（ロッド５２とガイドフランジ１３との間の隙間）がシリンダ軸を中心として設けられる（図４（ａ）参照）。そのため、回転モータ７１（ステッピングモータやサーボモータなど）を外部に設置し、タイミングベルト７２、プーリ７３を介して、モータの回転運動をガイドフランジ１３に伝達し、ロッド５２に回転運動をさせることが可能である。従って、コントローラ８０ａは、回転モータ７１に設けられたエンコーダ７５が出力する検出信号ΦＤＲ（回転モータ７１の回転軸の回転角度を表す検出信号）に基づいてロッド５２の回転運動を制御することが可能である。なお、回転モータ７１として、中空型のＤＤ（ダイレクトドライブ）モータを用いることで、タイミングベルト７２、プーリ７３を用いずにロッド５２のピストン体５０の長手方向（Ｚ方向）の中心軸を回転軸とした回転運動を制御可能にできる。

特開２００４−３０１１３８号公報

しかしながら、従来においては、上述の様に、多角形形状の流体圧軸受部を介して回転運動の伝達を行うが、ロッド５２の回転方向の角度移動量（軸方向を中心とするロッド５２の回転による角度）は、流体圧アクチュエータ９０の外部にある回転モータ７１に備えられている位置検出器であるエンコーダ７５により検出する。

図４は、従来の流体圧アクチュエータの問題点を説明するための図である。図４（ａ）は、ロッド５２及びガイドフランジ１３が静止している状態を示す図であり、図４（ｂ）は、回転モータ７１を回転駆動することによりガイドフランジ１３を図４（ａ）に示す状態から時計方向へ角度移動量θだけ回転させた状態を示す図である。
図４（ｂ）に示すように、回転駆動側である、流体圧アクチュエータ９０の外部にスケールと検出器（エンコーダ７５）が備えられていることにより、ガイドフランジ１３を角度移動量θだけ回転させたとき、ロッド５２が、流体圧の為の隙間（流体圧軸受部）で微小に発生する回転ずれ量δずれて回転してしまうことがある。しかし、ロッド５２の外部にある回転モータ７１に設けられたエンコーダ７５では、ガイドフランジ１３の角度移動量θを検出することはできるが、ガイドフランジ１３と回転ずれのあるロッド５２の角度移動量(θ+δ)を検出することができない。

つまり、回転駆動側である、流体圧アクチュエータ９０の外部にスケール及び検出器（エンコーダ７５）が備えられているため、ロッド５２側の実際の位置は、流体が介在するための隙間が誤差要因となり、エンコーダ７５による検出結果とは異なってしまうという問題があった。この問題により、近年微小化している半導体チップ（ロッド５２に組み合わされる被駆動部）のバンプの接合において、回転誤差に起因する搭載不良が発生する可能性がある。

本発明は、上記の事情を考慮してなされたものであり、ロッド５２の角度移動量（上述の(θ+δ)）を検出することを可能とし、高精度にロッド５２の回転方向位置を制御可能にする流体圧アクチュエータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の流体圧アクチュエータは、流体圧シリンダと、該流体圧シリンダ内にスライド可能に収容されたピストンヘッドを持つピストン体と、前記流体圧シリンダ内で前記ピストン体のロッドに組み合わされる被駆動部の位置制御を行う制御手段と、を備えた流体圧アクチュエータであって、前記ロッドは、スライド検出用目盛及び回転検出用目盛を有し、前記流体圧シリンダは、前記ロッドの回転方向における位置を検出する第１の位置検出器と、前記ロッドのスライド方向における位置を検出する第２の位置検出器と、を有し、前記ロッドと、前記ピストン体を構成するガイドフランジの内壁面との間には、圧縮空気が導入され、前記ロッドを前記ガイドフランジの内壁面から浮上させる流体圧軸受部が構成され、前記ロッド及び前記ガイドフランジは一体となって前記ピストン体の長手方向の中心軸に関して回転し、前記制御手段は、外部から入力される位置指令値と前記第１の位置検出器が出力する検出信号との差分がなくなるような回転指令を、前記ピストン体を回転駆動する回転モータに対して出力して、前記ピストン体の回転方向の位置制御を行うことを特徴とする。

また、本発明の流体圧アクチュエータは、前記回転検出用目盛は、円筒状の形状であり、中心軸が前記ピストン体の中心軸と同じであり、前記円筒状の形状の側面において互いに平行な長方形のパターンが円周方向に形成されている、ことを特徴とする。

また、本発明の流体圧アクチュエータは、前記回転検出用目盛及び前記スライド検出用目盛は、円筒状の形状であり、中心軸が前記ピストン体の中心軸と同じであり、前記円筒状の形状の側面において格子パターンが形成されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、ロッド５２に回転方向スケール（回転検出用目盛）を有しているので、ロッド５２の角度移動量(θ+δ)を検出することが可能となり、高精度にロッド５２の回転方向位置を制御可能にする流体圧アクチュエータを提供することができる。

第１の実施形態の流体圧アクチュエータの構成を示す図である。 第２の実施形態の流体圧アクチュエータの構成を示す図である。 従来の流体圧アクチュエータの構成を模式的に示した図である。 図４は、従来の流体圧アクチュエータの問題点を説明するための図である。

［第１の実施形態］
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、第１の実施形態の流体圧アクチュエータの構成を示す図である。図１（ａ）は、流体圧アクチュエータ１００のＺ−Ｘ平面における断面構造を示している。また、図１（ｂ）は、ロッド５２とガイドフランジ１３とのＸ−Ｙ平面における断面構造を示している。また、図１（ｃ）は、回転方向スケール８１−１とロッド５２とのＸ−Ｙ平面における断面構造を示している。また、図１（ｄ）は、コントローラ８０の構成を示している。
流体圧アクチュエータ１００は、シリンダ１０、ピストン体５０、サーボ弁６０を含んで構成される。
シリンダ１０は、シリンダ本体１１、ガイドフランジ１３（ハウジング）、ボールベアリング３０を含んで構成される。
ピストン体５０は、ピストンヘッド５１（ピストンヘッド５１−１、ピストンヘッド５１−２）、ロッド５２を含んで構成される。ピストンヘッド５１−１、ピストンヘッド５１−２は、ロッド５２に取り付けられている。また、ロッド５２には、軸方向スケール４１−１、回転方向スケール８１−１が取り付けられている。

シリンダ本体１１は、ピストンヘッド５１（ピストンヘッド５１−１及びピストンヘッド５１−２）との間に圧力室を形成する。また、ガイドフランジ１３は、ロッド５２、及びボールベアリング３０との間に圧力室を形成する。また、シリンダ本体１１は、サーボ弁６０の空気入り口と圧力室との間を接続する通路１２−ａと、サーボ弁６０の空気出口と圧力室との間を接続する通路１２−ｂと、を有する。以下では、通路１２−ａとピストンヘッド５１−２の表面部分を含む圧力室を定圧力室と呼び、通路１２−ｂとピストンヘッド５１−１とを含む図面上側の圧力室を調整圧力室と呼ぶ。シリンダ本体１１には、空気入り口（図１において不図示）が設けられ、外部の圧縮空気供給源から定圧の空気が定圧力室に導入される。

シリンダ本体１１は、断面円形の空間を有し、この空間に断面円形のピストンヘッド５１が挿通されている。一方、ガイドフランジ１３は断面多角形状（ここでは四角形状）の穴を有し、この穴に同じ四角形状の断面形状を持つロッド５２が軸方向にスライド自在に挿通されている（図１（ａ）参照）。
ガイドフランジ１３は、中心軸方向には移動を抑止されているが、ボールベアリング３０によりピストン体５０の長手方向の中心軸（Ｚ軸）に関して回転が可能となるように、定圧力室の中に保持されている。これにより、ロッド５２は、ガイドフランジ１３に対して軸方向にスライド可能であると共に、ガイドフランジ１３が回転すると、一緒に回転するように構成されている。また、ガイドフランジ１３は、Ｚ軸方向に突き出したボス（図１において不図示）を有し、このボスにはプーリ７３ａが固定されている。一方、回転モータ７１の回転軸７１ａにはプーリ７３ｂが固定されている。プーリ７３ａには、回転モータ７１により回転軸７１ａが回転駆動されると、プーリ７３ｂ、タイミングベルト７２を介してモータの回転運動が伝達され、Ｚ軸方向を中心としてＸ−Ｙ平面上において回転駆動される。

ロッド５２とガイドフランジ１３との間は、上述の通り定圧力室に設けられるので、圧縮空気が導入されると、ロッド５２をガイドフランジ１３の内壁面から浮上させる流体圧軸受部が構成される。従って、ピストン体５０のロッド５２は、ガイドフランジ１３に対して回転しないよう四角形の断面になっている一方、ガイドフランジ１３がボールベアリング３０を介してピストン体５０の長手方向の中心軸（Ｚ軸）に関して回転可能にされていることにより、プーリ７３ａが回転されると、ロッド５２がガイドフランジ１３と一体になってピストン体５０の長手方向の中心軸に関して回転できるようになっている。

また、ピストンヘッド５１を構成するピストンヘッド５１−１、５１−２の外周側面には、調整圧力室、定圧力室側からそれぞれ圧縮空気を導入するための浅い溝が周方向に間隔をおいて形成され、ピストンヘッド５１をシリンダ本体１１の内壁面から浮上させる流体圧軸受部が構成される。流体圧軸受部は、調整圧力室、定圧力室からそれぞれ導入された圧縮空気をシリンダ本体１１の内壁に作用させることでピストンヘッド５１をシリンダ本体１１の内壁から浮上させ、非接触状態にてスライド移動及び回転可能となる。なお、図１では図示を省略しているが、流体圧軸受部の近傍におけるピストンヘッド５１の外周にはそれぞれ、シリンダ本体１１の内壁に作用した空気を外部に排気するための排気溝が全周にわたって形成され、これらの排気溝で集められた圧縮空気はピストン体５０の内部に形成された排気通路を通してロッド５２の端部からアクチュエータ外に排出される。

サーボ弁６０は、コントローラ８０に制御されて、定圧力室から調整圧力室への流体制御を行うことにより、ピストン体５０の高精度のＺ軸方向の位置決め、荷重制御を行う。ここで、荷重制御というのは、調整圧力室に面したピストンヘッド５１−１の受圧面積をＳ１、そこに作用する圧力をＰ１とし、定圧力室に面したピストンヘッド５１−２の受圧面積をＳ（但し、Ｓ１＞Ｓ）、そこに作用する圧力をＰ（但し、Ｐ＞Ｐ１）とすると、荷重Ｆ＝Ｐ１・Ｓ１−Ｐ・Ｓに基づいて、ロッド５２の端部に設けられる被駆動部に対して荷重指令値に基づく荷重（力）を与える制御である。

コントローラ８０が、サーボ弁６０を制御してＺ軸（ピストン体５０の長手方向の中心軸）方向の位置決め制御を行わせるため、また、回転モータ７１を制御してＺ軸を中心とする回転方向の位置決め制御を行わせるため、それぞれ軸方向センサ４１、回転方向センサ８１が設けられる。
軸方向センサ４１は、軸方向スケール４１−１（スライド検出用目盛）と軸方向検出器４１−２から構成される。
シリンダ本体１１のガイドフランジ１３とは反対側の部分には、中心軸方向に孔が形成され、この孔にはロッド５２の中心に固定されて中心軸方向に延びる軸方向スケール４１−１が挿入されている。また、シリンダ本体１１のガイドフランジ１３とは反対側の部分には、軸方向スケール４１−１とともにピストン体５０の位置検出を行うための軸方向検出器４１−２が固定されている。軸方向スケール４１−１には、予め設定されたピッチで磁性体と非磁性体とが交互に配列されている。

軸方向スケール４１−１がピストン体５０と共にＺ軸方向に移動すると、Ｚ軸方向に移動した磁性体の数が軸方向検出器４１−２により検出される。軸方向検出器４１−２は、Ｚ軸方向の基準となる位置からの距離を表す検出信号ΦＤＺを、コントローラ８０に対して出力する。コントローラ８０は、この検出信号ΦＤＺを用いて、サーボ弁６０を制御し、ピストン体５０のＺ軸方向の位置制御を行う。なお、軸方向センサ４１は、回転方向センサ８１と同様に、光学式センサであってもよい。

回転方向センサ８１は、回転方向スケール８１−１（回転検出用目盛）と回転方向検出器８１−２とから構成される。
ロッド５２のピストンヘッド５１−１とピストンヘッド５１−２との間には、回転方向スケール８１−１が、ロッド５２に固定されている（図１（ｃ）参照）。回転方向スケール８１−１は、金属により構成されてもよく、またガラスにより構成されていてもよい。回転方向スケール８１−１は、円筒状の形状であり、中心軸がピストン体５０の中心軸と同じであり、円筒状の形状の側面において互いに平行な長方形のパターンが円周方向に形成されている。このパターンは、回転方向スケール８１−１が、金属製である場合は、表面に彫られた溝であってもよいし、ガラス製である場合は、表面に印刷された模様であってよい。また、シリンダ本体１１の回転方向スケール８１−１に対応する部分には、回転方向スケール８１−１とともにピストン体５０のＺ軸に対する回転方向の位置検出を行うための回転方向検出器８１−２が固定されている。

回転方向スケール８１−１がピストン体５０と共にＺ軸を中心に回転移動すると、回転方向検出器８１−２が、例えば可視光線、赤外線などの光を、投光部から信号光として発射し、回転方向スケール８１−１によって反射する光を受光部で検出する。回転方向検出器８１−２は、Ｚ軸を中心とする回転方向の基準となる位置からの回転角度を表す検出信号ΦＤθを、コントローラ８０に対して出力する。コントローラ８０は、この検出信号ΦＤθを用いて、回転モータ７１を制御し、ピストン体５０のＺ軸を中心とする回転方向の位置制御を行う。

コントローラ８０には、外部からの位置指令値、荷重指令値、軸方向センサ４１からの検出信号ΦＤＺ、回転方向センサ８１からの検出信号ΦＤθが入力され、サーボ弁６０に対して移動指令、荷重指令を、回転モータ７１に対して回転指令を出力する。
コントローラ８０は、サーボ弁６０に対して、位置指令値と検出信号ΦＤＺとの差分がなくなるように移動指令を出力し、荷重指令値と、調整圧力（Ｐ１）と定圧力（Ｐ２）との間の圧力差との差分がなくなるように荷重指令を、サーボ弁６０に対して出力する。サーボ弁６０は調整圧力室への流体制御を行うことにより、ピストン体５０の高精度の位置決め（Ｚ軸方向の位置決め）、及び荷重制御を行う。また、コントローラ８０は、回転モータ７１に対して、位置指令値と検出信号ΦＤθとの差分がなくなるように回転指令を出力し、ピストン体５０の高精度の位置決め（Ｚ軸を中心とする回転方向の位置決め）を行う。なお、この際、回転モータ７１のエンコーダ７５の出力と、回転方向センサ８１からの検出信号ΦＤθとの差分がなくなるように回転制御を行う構成としてもよい。

コントローラ８０は、上述のようなピストン体５０の位置制御と荷重制御とを切り換えて行うことができるようにされている。勿論、この切り換えは、位置制御のみを行う場合と、荷重制御のみを行う場合の他に、制御の途中、例えば位置制御によりピストン体５０、つまり被駆動部を所定の位置に位置決めした後、荷重制御に切り換えて被駆動部に所定の荷重（力）を与えるようにする切り換えを含む。

このように、流体圧アクチュエータ１００は、シリンダ１０（流体圧シリンダ）と、該シリンダ１０内にスライド可能に収容されたピストンヘッド５１−１及び５１−２を持つピストン体５０と、シリンダ１０内でピストン体５０のロッド５２に組み合わされる被駆動部の位置制御を行うコントローラ８０（制御手段）と、を備える。ロッド５２は、軸方向スケール４１−１（スライド検出用目盛）及び回転方向スケール８１−１（回転検出用目盛）を有する。シリンダ１０は、ロッド５２の回転方向における位置を検出する回転方向検出器８１−２（第１の位置検出器）と、ロッド５２のスライド方向における位置を検出する軸方向検出器４１−２（第２の位置検出器）と、を有する。

本発明によれば、直線運動と回転運動の位置決めを高い精度で行うことができる流体圧アクチュエータを提供することができる。更に、上記直線運動の位置制御に加えて荷重制御が可能な流体圧アクチュエータを提供することができる。特に、本発明によれば、ロッド５２に回転方向スケール（回転検出用目盛）を有しているので、ロッドの角度移動量(θ+δ)を検出することが可能となり、高精度にロッド５２の回転方向位置を制御可能にする流体圧アクチュエータを提供することができる。

［第２の実施形態］
以下、図面を参照して本発明の他の実施の形態について説明する。図２は、第２の実施形態の流体圧アクチュエータの構成を示す図である。図２に示す流体圧アクチュエータ１００ａにおいて、図１に示す流体圧アクチュエータ１００と同じ部分には同じ符号を付し、その説明を省略する。
流体圧アクチュエータ１００ａでは、図１に示す流体圧アクチュエータ１００における軸方向センサ４１、及び回転方向センサ８１に代えて、軸方向及び回転方向センサ９１が設けられる。

軸方向及び回転方向センサ９１は、軸方向及び回転方向スケール９１−１（回転検出用目盛）と軸方向及び回転方向検出器９１−２とから構成される。
シリンダ本体１１のガイドフランジ１３とは反対側の部分には、中心軸方向に孔が形成され、この孔にはロッド５２の中心に固定されて中心軸方向に延びる軸方向及び回転方向スケール９１−１が挿入されている。また、シリンダ本体１１のガイドフランジ１３とは反対側の部分には、軸方向及び回転方向スケール９１−１とともにピストン体５０の位置検出を行うための軸方向及び回転方向検出器９１−２が固定されている。もちろん、軸方向及び回転方向スケール９１−１を、図１に示す流体圧アクチュエータ１００のように、ロッド５２のピストンヘッド５１−１とピストンヘッド５１−２との間に配置してもよい。

軸方向及び回転方向スケール９１−１は、図１に示す回転方向スケール８１−１のように、金属により構成されてもよく、またガラスにより構成されていてもよい。軸方向及び回転方向スケール９１−１は、円筒状の形状であり、中心軸がピストン体５０の中心軸と同じであり、円筒状の形状の側面において、格子パターンが形成されている。このパターンは、軸方向及び回転方向スケール９１−１が、金属製である場合は、表面に彫られた溝でよく、ガラス製である場合は、表面に印刷された模様でよい。

軸方向及び回転方向スケール９１−１がピストン体５０と共に移動すると、軸方向及び回転方向検出器９１−２が、例えば可視光線、赤外線などの光を、投光部から信号光として発射し、軸方向及び回転方向スケール９１−１によって反射する光を受光部で検出する。軸方向及び回転方向検出器９１−２は、移動方向の基準となる位置からの距離、角度を表す検出信号第ΦＤＺ、ΦＤθを、コントローラ８０に対して出力する。コントローラ８０は、この検出信号、ΦＤＺ、ΦＤθを用いて、サーボ弁６０、及び回転モータ７１を制御し、ピストン体５０の位置制御を行う。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。

１０…シリンダ、１１…シリンダ本体、１２−ａ，１２−ｂ…通路、１３…ガイドフランジ、３０…ボールベアリング、４１…軸方向センサ、４１−１…軸方向スケール、４１−２…軸方向検出器、５０…ピストン体、５１，５１−１，５１−２…ピストンヘッド、５２…ロッド、６０…サーボ弁、７１…回転モータ、７１ａ…回転軸、７２タイミングベルト、７３，７３ａ，７３ｂ…プーリ、８０，８０ａ…コントローラ、８１…回転方向センサ、８１−１…回転方向スケール、８１−２…回転方向検出器、９０，１００，１００ａ…流体圧アクチュエータ、９１…軸方向及び回転方向センサ、９１−１…軸方向及び回転方向スケール、９１−２…軸方向及び回転方向検出器

Claims (3)

1. 流体圧シリンダと、
   該流体圧シリンダ内にスライド可能に収容されたピストンヘッドを持つピストン体と、
   前記流体圧シリンダ内で前記ピストン体のロッドに組み合わされる被駆動部の位置制御を行う制御手段と、
   を備えた流体圧アクチュエータであって、
   前記ロッドは、スライド検出用目盛及び回転検出用目盛を有し、
   前記流体圧シリンダは、
   前記ロッドの回転方向における位置を検出する第１の位置検出器と、
   前記ロッドのスライド方向における位置を検出する第２の位置検出器と、を有し、
   前記ロッドと、前記ピストン体を構成するガイドフランジの内壁面との間には、圧縮空気が導入され、前記ロッドを前記ガイドフランジの内壁面から浮上させる流体圧軸受部が構成され、前記ロッド及び前記ガイドフランジは一体となって前記ピストン体の長手方向の中心軸に関して回転し、
   前記制御手段は、
   外部から入力される位置指令値と前記第１の位置検出器が出力する検出信号との差分がなくなるような回転指令を、前記ピストン体を回転駆動する回転モータに対して出力して、前記ピストン体の回転方向の位置制御を行う
   ことを特徴とする流体圧アクチュエータ。
2. 前記回転検出用目盛は、円筒状の形状であり、中心軸が前記ピストン体の中心軸と同じであり、前記円筒状の形状の側面において互いに平行な長方形のパターンが円周方向に形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の流体圧アクチュエータ。
3. 前記回転検出用目盛及び前記スライド検出用目盛は、円筒状の形状であり、中心軸が前記ピストン体の中心軸と同じであり、前記円筒状の形状の側面において格子パターンが形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の流体圧アクチュエータ。

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